0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，使世界范圍內(nèi)的電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，而變頻器以其優(yōu)越的調(diào)速性能和節(jié)能優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。我公司大水池供水設(shè)備中配有兩臺(tái)水泵，功率為22 kW，原控制方式為Y-△啟動(dòng)，全壓運(yùn)行，由操作人員根據(jù)生產(chǎn)情況來確定開機(jī)的數(shù)量以及供水閥門的開度，有時(shí)需要開兩臺(tái)水泵，但其中一臺(tái)泵的供水閥門僅開啟20%左右，造成很大的浪費(fèi)。同時(shí)在運(yùn)行中，系統(tǒng)的供水壓力和供水量也很不穩(wěn)定，因而設(shè)備振動(dòng)厲害。為能達(dá)到良好的供水性能，對(duì)其進(jìn)行了恒壓供水變頻節(jié)能改造，取得了良好的效果。

1 恒壓供水變頻節(jié)能原理

在變頻改造前，水泵供水是通過調(diào)節(jié)閥門的開度來達(dá)到改變供水量的目的，供水管路的水壓與流量特性曲線如圖1所示。

圖中曲線①為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的特性曲線，曲線②為閥門全開時(shí)的特性曲線，曲線③為關(guān)小閥門時(shí)的特性曲線。當(dāng)水泵工作在曲線②的A 點(diǎn)時(shí)，其流量與壓力分別為q1與p2，此時(shí)水泵所需的功率正比于p2與q1的乘積。由于工藝要求需減小水量到q2時(shí)，通過增加管網(wǎng)管阻，使水泵的工作點(diǎn)移到曲線③上的B 點(diǎn)，水壓增大到p1，這時(shí)水泵所需的功率正比于p1與q2的乘積，由圖1可見這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單，但功率消耗并無(wú)減少。

如果采用通過改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來改變供水量，其特性曲線如圖2所示。

圖中曲線②為閥門全開時(shí)的特性曲線，曲線①為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的特性曲線，曲線④為減小轉(zhuǎn)速時(shí)的特性曲線。水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，工作點(diǎn)由A 點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是減小到q2，壓力由p2降到p3，這時(shí)水泵所需的功率正比于p3與q2的乘積，由圖可見功率的減少是明顯的，通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n 與流量q，壓力p 以及軸功率P具有如下關(guān)系

即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，軸功率將大幅下降。

根據(jù)三相異步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

式中：f 為電源頻率;

p 為電機(jī)極對(duì)數(shù);

s 為電機(jī)轉(zhuǎn)差率;

n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

只要改變電機(jī)的供電電源頻率f，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，而變頻器正是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行設(shè)備。

2 方案設(shè)計(jì)

變頻器不但具有動(dòng)態(tài)性能好、容量大、節(jié)能等顯著特點(diǎn)，而且還可在不增加設(shè)備的情況下，利用其內(nèi)置PID功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)過程調(diào)節(jié)，達(dá)到精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案即為閉環(huán)調(diào)整控制。工作原理圖如圖3所示。

由壓力變送器MBS3000(0~6 bar)來執(zhí)行供水壓力的壓力檢測(cè)功能，將信號(hào)變換后產(chǎn)生的4~20 mA 電流信號(hào)反饋回變頻器，此信號(hào)與變頻器給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出差分信號(hào)，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制變頻器的輸出從而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)出口供水壓力高于設(shè)定值時(shí)(即當(dāng)用水量減少時(shí))，變頻器輸出頻率會(huì)自動(dòng)降低，反之會(huì)自動(dòng)升高，使泵出口壓力始終恒定在設(shè)定值上，以保證用水間的用水壓力穩(wěn)定。

本系統(tǒng)中共有兩臺(tái)電機(jī)并網(wǎng)供水，此次改造中給兩臺(tái)電機(jī)各配備一臺(tái)變頻器，正常時(shí)為一用一備，用水量大時(shí)兩臺(tái)全部投入運(yùn)行。壓力變送器安裝在總出水口處，兩臺(tái)變頻器切換使用一個(gè)壓力反饋信號(hào)。在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式下，首先一臺(tái)泵投入運(yùn)行，隨供水壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，保持供水壓力恒定，當(dāng)用水量增大而泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率長(zhǎng)時(shí)間超出設(shè)定最高頻率后，第二臺(tái)泵自動(dòng)啟動(dòng)，以恒轉(zhuǎn)速(50 Hz)運(yùn)轉(zhuǎn);隨著用水量的減少，在第一臺(tái)泵運(yùn)行頻率低于設(shè)定最低頻率后，第二臺(tái)泵退出運(yùn)轉(zhuǎn)，如此根據(jù)供水量，兩臺(tái)泵循環(huán)運(yùn)行。

2.1 變頻器控制方式

Danfoss 變頻器不但具有通用型變頻器的常用基本功能，還具有很多可編程的內(nèi)部功能，靈活運(yùn)用很容易實(shí)現(xiàn)許多控制功能，此次改造中就是充分利用了這一點(diǎn)，只須通過變頻器的內(nèi)部功能就實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、自動(dòng)功能的轉(zhuǎn)換，電機(jī)的相互切換等功能。本方案根據(jù)性價(jià)比采用Danfoss8000 系列，主要功能接線圖如圖4所示。

2.1.1 閉環(huán)控制與開環(huán)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能

Danfoss變頻器共具有4個(gè)參數(shù)設(shè)置區(qū)，該4個(gè)設(shè)置區(qū)可以獨(dú)立編程，然后可通過數(shù)字量輸入端子或者串行通訊方式在各個(gè)設(shè)置區(qū)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

利用菜單轉(zhuǎn)換功能給每臺(tái)變頻器設(shè)置兩個(gè)菜單，菜單1 為有壓力反饋信號(hào)的閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，菜單2為恒速的開環(huán)控制。在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式中根據(jù)開機(jī)順序選擇，首先運(yùn)行的變頻器的端子32的信號(hào)為0，此方式設(shè)置為菜單1功能，同時(shí)接通端子60(反饋信號(hào)輸入);而另外一臺(tái)變頻器則通過外部繼電器控制接通端子32(參數(shù)為L(zhǎng)SB)，同時(shí)斷開端子60，此方式設(shè)置為菜單2功能。這樣在正常運(yùn)行時(shí)就可保證兩臺(tái)泵為一備一用，使用一個(gè)壓力變送器信號(hào)即可。外電路中設(shè)計(jì)了1# -2#或2# -1#順序開機(jī)選擇功能，如選擇1#-2#則表示1#泵首先投入運(yùn)行為主泵，2#泵為輔泵;同理2#-1#選擇方式下，2#為主泵，1#為輔泵，這樣既保證了恒壓供水要求，又避免了長(zhǎng)期只開其中一臺(tái)泵的現(xiàn)象，使各泵磨損均勻且不銹死，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命。

2.1.2 輔泵自動(dòng)投入和退出控制

VLT8032 有兩組繼電器，通過內(nèi)部編程兩組繼電器共有31個(gè)功能可利用，本系統(tǒng)中就是利用了這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)了輔泵自動(dòng)啟停的控制，非常簡(jiǎn)單。在菜單1 中設(shè)置繼電器1 和2為頻率檢測(cè)功能，根據(jù)主泵輸出頻率的變化，在用水量大時(shí)自動(dòng)控制第2臺(tái)變頻器啟動(dòng)，由于第2臺(tái)為恒壓開環(huán)控制，一直以高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)第1臺(tái)變頻器輸出頻率會(huì)自動(dòng)隨水壓調(diào)整;當(dāng)用水量低時(shí)第1臺(tái)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下降，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定頻率時(shí)，第2臺(tái)變頻器自動(dòng)退出運(yùn)行。因此兩臺(tái)水泵可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)，無(wú)波動(dòng)切換。

2.1.3 壓力給定

通過端子50、53、55外接安裝在操作面板上的1kΩ電位器，作為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際壓力。

在自動(dòng)運(yùn)行方式中給定值的設(shè)定是0~10 V對(duì)應(yīng)于最小及最大反饋值，在手動(dòng)運(yùn)行方式中是作為外部給定參考值，0~10 V對(duì)應(yīng)最小及最大外部給定參考值。無(wú)論是自動(dòng)或是手動(dòng)方式，操作人員都可根據(jù)生產(chǎn)要求對(duì)電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整。

2.1.4 其他功能

VLT8000 系列還具有一些水泵控制專用的功能，例如睡眠頻率、喚醒頻率、壓力補(bǔ)償?shù)?，合理地?/p>

用這些功能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的更加合理穩(wěn)定。

2.2 注意事項(xiàng)

異步電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所用的時(shí)間≤0.5 s。這意味著在不足0.5 s的時(shí)間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有一定的動(dòng)量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短的時(shí)間內(nèi)，流量的巨大變化將對(duì)管道產(chǎn)生過高或過低的壓力沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，這種現(xiàn)象稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，應(yīng)用變頻調(diào)速后，應(yīng)合理地設(shè)置變頻器的加、減速時(shí)間來延長(zhǎng)起動(dòng)和停止過程從而徹底消除水錘效應(yīng)。

泵在變頻調(diào)速運(yùn)行過程中，往往也會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，當(dāng)頻率低于10 Hz 時(shí)，泵的出口壓力往往會(huì)低于止回閥的阻力，這樣就會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，所以變頻器的參數(shù)設(shè)定范圍一般應(yīng)設(shè)置為低限不低于25 Hz。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

變頻器自身保護(hù)功能完善，具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)，瞬時(shí)停電保護(hù)，過載、失速保護(hù)等功能，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。同時(shí)變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，避免了電機(jī)開停時(shí)的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)，使系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量在大范圍內(nèi)可連續(xù)變化。

在節(jié)能方面效果也是非常顯著的，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，節(jié)能如按40%計(jì)算，則一臺(tái)22 kW 電機(jī)每月節(jié)電約為22(kW)×40%×24(h)×30(d)×0.8(元/kW·h)=5 068元，年節(jié)約為60 816元。

采用了變頻調(diào)速后由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降，工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小，使軸承的磨損和葉片所受的應(yīng)力都大為減小，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命。設(shè)備運(yùn)行時(shí)水泵的出口閥門是完全打開的，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪聲，改善了操作人員的工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度。